浅谈功放电源

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         电源对于一台放大器的重要性不言而喻。然而绝大多数DIYer并不了解其中的原理或者说在某些环节的认识上存在片面性。以至于对于电源线，电源变压器，整流桥，滤波电容等电源相关的器件对听感的影响的争论喋喋不休。而我曾多次搜索网络希望能找到一个比较科学分析和介绍，很可惜没有找到。而早期一些人缺乏理论依据的对各种变压器，电容等主要元件主观评论在DIY界影响颇深，但是是否正确呢？我深表怀疑。本文尝试对放大器电源部分做一个相对理性的分析和介绍，希望对广大热爱音响的朋友有所帮助，也借此抛砖引玉，希望了解其中原理的坛友不吝赐教，使本文内容更加丰富，使后来者对电源有一个科学正确的认识，不再茫茫然或者人云亦云。但有限于作者的水平，文中有不当之处请各位随时指正。

注意：这里不做听感评价只做理论上的分析。   举这么一个例子吧：


               白开水 ——> 杯子 ——> 白开水--平淡无味；
               白开水 ——> 茶壶 ——> 茶水 -- 好喝
               音乐    ——> HiFi功放——>  音乐-- 平淡无奇
               音乐    ——> 某功放  ——>  （音乐+ -某些东西）-- 好听
         

        废话不多说下面进入正题

       一、220V再认识。





         首先我们的讨论按照能量供给的顺序来，那么先从墙电220V开始。为什么不从水电站和火力发电开始呢？我请求讨论这些电厂听感的请版主删除之。
         
         理论上的照明电路是纯净的220V有效值的正弦信号，没有其他成分。实际上由于接入其中的用电器数量庞大，工作方式多样，使得从墙上接到的220V电源含有较多的干扰和畸变。为了简单起见
我们这里假设墙电有如下部分组成：
                                                             AC 220V 50Hz，DC 0.1V（可能时有时无我们假设一直有） ， AC 5 V 100Khz（可能时有时无我们假设一直有）；

          其他的可能都没问题，很多人疑问的是怎么会有DC？疑问在于电力变压器只能变交流。首先这个DC不是来自与电力变压器。
          我不知道自己理解对不对，我举一个简单的例子：相邻用户有某电器用的是半波整流，那么他只用了正弦信号的半个周期。这就会造成在某点测起来存在直流偏移问题。还有，就是可控硅不知什么时候导通一下，无法保证整个周期内都在用电，造成正负半周不对称。




          二、电源线




           墙上插口的电说完了，那么下面就是主电源线了。我们假设线径都足够大无接触不良。功率都不是问题。那么不同的电线会有什么区别呢？对机器什么影响呢？
           任何导线都非理想的导线。由于制作方式的不同，所有可能的影响我能想到的有以下几种：
              1，直流电阻的细微差别                                                 A 导线直流电阻0.05；B导线 直流电阻 0.06；
              2，电感量不同电容量不同导线截面积相同表面积不同。   可能导致上面5V 100Khz信号通过A 之后  变成4.5 V ；通过B 之后 变成4.9V ；
              3，屏蔽措施不同。                                                       外界电磁干扰 在两根线上产生的信号强度不同。
              4，保险管含在这里一并讨论，也看作是一段导线。

            三、滤波器
                  



            电源滤波器又名“电源EMI滤波器”，或是“EMI电源滤波器”，一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络：电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

            以上是某百科的定义，我们这里不去详细分析EMI滤波器的具体工作原理和性能指标，简单的理解安装滤波器之后墙电上的 5V 100Khz会受到了较大的限制，几乎很难通过它。0.1V DC 和220V AC 50HZ几乎不受影响。和不用滤波器不同的是 插入了一定的阻抗，使得电源初级内阻升高了一点点。         我们假设升高了1欧。
               
            DC Blocker 滤波器：
            


             此电路基本上是用在环型变压器的设备里面，目的是为了消除电网有DC偏压时环牛铁芯饱和引起哼叫初级电流大增甚至过热烧毁。
            原理是这样的：假设牛直流电阻是1欧，电网有0.1V的偏移量的时候没有这个电阻将会有100mA的直流，这产生的磁场足以占据铁芯的绝大部分磁通。打个比方，铁芯比作一个水管，正常情况下磁场在里面来回流动，突然多了一股水一直往一个方向流占据了一半水管内的空间。剩下给来回流动的空间就很少了。加上这个10欧电阻之后，根据分压原理那么这个电阻将承担10倍与变压器初级的直流电压所以变压器上的直流就被削减了绝大部分。而对于交流电压变压器初级的电感很大，阻抗很高，这个10欧姆微不足道。桥堆或者二极管是用来保护那个电阻的，防止它烧了。图1不用电阻用电容，是隔断直流不是分压了。
             所以 墙电过了这个滤波器之后就剩下 220V 50Hz了  。在这个节点上 220V的内阻 有这些内容组成：（前面的两个滤波器，电源线，楼内线路，输电线，电力变压器次级内阻 。各种空开接触器。)
              你可能仍然很在意这个滤波器的1欧姆 插入阻抗。但是相对于整个220V的内阻而言，我不认为有那么要紧。因为输出500VA的功率他只不过分去了2V压降相对于220V。



             四、重头戏，变压器！
            
                 




                  1，在细说变压器之前，先解决为什么要用变压器的问题。为何不用开关电源呢？
                       这是由于负载特性决定的，常见的放大器工作时电流是变化的，是一个动态负载。对于普通的开关电源来说受制于其动态相应速度一般都不能满足要求。比如负载突然从100欧变成了10欧这个过程用了1us，对于理想的100V电压源那么输出电流也在这1us内从1A变成了10A，并且输出电压没有变化。而绝大多数开关电源跟不上这个节奏无法瞬间提供这么大的电流变化率。从这个地方讲，线性电源滤波电容选择还是要求ESR要低，容量要足够大。这么看RIFA等超低ESR超大涟波电流的电容应该是蛮理想的，注意二手的性能未知，不要盲从。另外开关电源的噪声干扰比较大，要克服这一点也要话费不少成本，所以一般厂家就放弃了。

                   2，再认识整流滤波




上图是大家熟悉的整流滤波电路，这个不多说；只提醒一点：




在二极管导通的tc这段时间内 是由变压器为放大器供电的！并且同时给电容充电。
其他时间是滤波电容在供电！！





做电路交流信号分析时一般假设电源VCC和地GND都是一根线。
而事实上如果用蓄电池供电那么基本正确。如果是这种变压器电路。

他们之间其实是：一个大滤波电容；和电容并联变压器次级线圈。两种供电状态不停切换中！   不停切换中！  不停切换中！

那么更换一个变压器对声音会不会有影响呢？我认为基本是肯定的。有人提好的设计电路都有很高的电源纹波抑制比。注意是纹波抑制比。而更换一个变压器影响的可能不只是纹波。因为变压器在某些时刻在交流通路上。您可能还有疑问，电容的容抗很低而变压器的次级线圈可能感抗很大。大容量铝电解对高频部分的容抗并不低，而我这里不是很清楚在这种状态下变压器的次级能否看成是一个普通的电感？？





3，相同功率下不同结构的变压器之间的差异。

     前段时间有人讨论电源变压器的电感和发烧绕法。用电感表测试电感等等。这其实不用电感表测，因为：Zo = 2 π f Lo=U/Io 所以知道了变压器的空载电流测一下输入电压基本就知道了。
而变压器并非一个恒定的电感，次级负载强度不同内部漏电流不同从初级看进去电感就不同。所以关心变压器的初级电感是很可笑的。那么我们要关心什么呢？

什么样的变压器工作安静，性能强劲，无干扰，做出来的电源能接近与蓄电池的水平？这是我想到的方向我也不知道对不对。

朝着这个方向去寻找的话：a、  EI 变压器 。   
                                             EI 变压器的铁芯性能较差，相同容量的变压器他的体积较大。一般同瓦数的变压器EI的负载调整率比环牛要大一些。工作频率范围较窄。比如给他个400HZ就发热严重甚至烧坏。所以没有滤波器件的情况下直接使用EI变压器耦合到次级的干扰信号相对较少。 频率太低他的传递效率也不好。在市电较差的环境中是个不错的选择。从这个出发点讲更好的还有口字型的。这种变压器次级线圈匝数较多，切入交流通路的时候影响未知。
                                       b、 环形变压器和O型
                                      内阻，干扰要比EI低很多。负载调整率也较小。工作频率要宽很多，也就是说次级瞬间释放出大电流的能力强。初次级接触面积巨大，外界干扰容易到达次级，线圈内层紧密外层稀疏还是有一定的漏磁通。好的一般都做内外屏蔽。怕铁芯散热不好 会引发问题还有的加入了温度保险。O牛各种特性基本同环型变压器。除了线圈形状变化省了一些铜线，所以内阻稍低，机械性能好了许多。
这种变压器比EI 口字型的匝数少，但是铁芯是环形磁导率超高。进入供电环路的时候影响也未知。
                                       c，R型变压器
                                            R型变压器线圈是真正的螺线管。排列紧密漏磁极少。所以理论上绕的匝数比环形变压器更少，内阻更低。但实际上因为多了个骨架和环形的也差不多。R牛具有环牛所有的优点比环牛好的在于铁心散热好电磁辐射更低。R 型变压器的工作频率范围宽。所以初级的各种频率的干扰大部分都能到达次级！滤波器是非常必要的。因为几乎没有漏磁所以输入电压畸变时铁心容易饱和以及启动电流比以上都大。但是负载能力同样是最强的。   
                                       那么看起来最合适的似乎是R型变压器。      
                                       那么很多欧美厂机为何不用R牛呢？因为R牛太贵？在美国不好买？不好伺候？还是在机箱内太占地方？还是有什么无法克服的缺点？
                                       这个问题在国外论坛上也有人问。可惜没有人给出一个比较合理的解释。

                           当前提条件基本一致时这些不同结构的变压器供电时候，有哪些不同的影响希望有条件的坛友用设备测试一下最好了。
                                          
                                       

                                             
         

今天先到这里，待续。。                              
                                         
                    五、整流桥

          整流桥相对比较简单，在放大器电源中一般滤波电容容量较高，整流管导通角很小。也就是说上面整流电路图里面导通时间tc 很短，而在这段时间内导通电流很大。普通整流二极管因反向恢复时间较长，（什么叫反向回复时间：二极管两端的电压突然反向之后二极管并不能立即关断因为半导体内部材料的结构性原因电流的动作总是落后与电压，而是仍然维持导通一段时间。这段时间内电流将会反方向流动！就是图中阴影部分）反向电流对时间的积分面积较大导通压降较高等原因致使自身消耗的功率较多噪声也比较大。如果要求比较高的话理论上使用快速恢复二极管或者肖特基管比较理想。





                                         
                    六、滤波电容/电感
            
            

           







                    
   

补充内容 (2017-2-21 18:11):
第六节在 第63楼

吻子

提前占楼，回后再看

LeonBernieniv

放九五砖占队的显然是流氓行为。

falaode

帮顶

lsq1463

先作记号，以后慢慢看

CreaNSR

有点意思，占楼

new1510

好文收藏

阴险发烧友

先作记号，以后有时间慢慢看

发烧猫

写得好,支持楼主.

xfdsunjian

楼主分析的不错

随风凌子

吐槽一下，简单的事情为什么说的这么复杂，我从来都不认为功放的电源有多么的重要，甚至是功放。

MagicsWoo

请问楼主，是不是工频变压器整流不加线性稳压的话，动态上不会好于（高频变压器整流）开关电源？
换句话讲，动态好，是指抑制高频纹波上的性能吗

fcccc

MagicsWoo 发表于 2017-2-5 16:16
请问楼主，是不是工频变压器整流不加线性稳压的话，动态上不会好于（高频变压器整流）开关电源？
换句话讲 ...

错！不是。

ssdrv

工程师 ；写得很有功底。

sd1234

好文收藏

wfwang

好文章，排队听课

孤星0692

很好很好，一定帮顶，一定关注，同一功放只换不同变压器，会有明显不同的声音，这个我很有体会，一定支持！！，电源是功放的发动机，发动机重不重要，我想大家都知道

huangjingjie

只看，不说话

xmlhifi

现在大中城市都是直流输电，哪来的交流电？变电所自己逆变出来的，说到底220V还不是开关电源逆变供电，能纯净到哪去

MagicsWoo

　　还有传统音响中的工频整流滤波电源，都是容性负载，导致照明电的交流电压和电流波形不一致，本身也易产生严重的电网噪声，所以主动PFC应用也发展了几十年，当然初学者还是希望由浅入深，才能明白什么是今非昔比，还有争论也得多接纳，我们总会在成长道路上顾此失彼，听不同声音哪怕是错的，也是要对事不对人，不过不得不说，多数时候饿汉子想不吃炒冷饭还真难。